电容ESR表

电容ESR表电容ESR表的特点、测量原理、电路分析这个专题起源于笔者偶然得到的信息。

在完成所译《音频功率放大器设计手册》一书的勘误工作后，笔者因需在网上查阅美国Tektronix公司的示波器资料，看到外国论坛有位网友在介绍维修经验时，大力推荐电容ESR表，称其为电子爱好者的强力工具，对检测电器帮助极大，故而引发了笔者的兴趣。

经过一段时间的揣摩、研究、设计、制作及试用，结合本人以往的经验，确认此君所言非虚。

这种电容ESR表确实是检修电子设备、排除电路故障的强力工具和十分有用的好帮手。

独乐乐不如众乐乐，根据本人掌握的知识和实际设计制作，在此对电容ESR 表作全面介绍，以期能给广大电子爱好者提供有益的帮助，推动这一新型工具的普及应用。

1 电容ESR表的特点可能不少人都没听说过这种表。

笔者以前也仅知道，专业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR。

何为ESR测量电容的ESR有什么用相信很多读者心中会有这样的疑问。

为此，先进行简单的背景知识介绍。

一、背景知识介绍1.电容的ESRESR是英语Equivalent Series Resistance的缩写，意为等效串联电阻。

自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺陷。

这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。

另一方面，由于引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。

因此，实际电容的等效模型可以表示为图1所示的模式。

其中电容C为理想电容，R为等效串联电阻，即ESR，L为等效串联电感，即ESL。

引入ESR和ESL，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。

图1 实际电容的等效模型图2 实际电容与理想电容的差别。

斜直线为理想电容的阻抗曲线，呈V字形的是实际电容的阻抗曲线。

图3 不同容量电容的阻抗特性曲线ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。

比如说，理论上“电容两端的电压不能突变”，但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施加的电流大小有关，令电容不再遵循理论规律。

又如，电容会因ESR上的功耗而产生内部发热。

笔者曾将两只早期生产的10μF/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开关电源的5V输出两端。

由于此处高频脉动电压较大，电容内部损耗产生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒内导致电容炸开，前后两次均是如此。

图2、图3显示了电容的实际阻抗特性。

由于ESR以及ESL带来的影响，当频率上升到一定程度，即到了高频区，电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低。

在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。

在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR 的存在，改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。

在高频区，则是ESL在起主要作用。

图4 不同材质电容随频率变化的ESR曲线。

图中方框（顺序为光左右、后上下）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200μF/6V，以此类推。

第1、 2、4种为不同的钽电解电容，其中第1种为聚合物固态钽电解电容。

第2种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容，第4种为多层结构的二氧化锰固态钽电解电容。

第3种为二氧化锰固态铌电解电容。

第5种为MLCC即多层陶瓷电容，两只1 00μF/4V并联。

第6种为低ESR铝电解电容。

图5 普通电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。

上方曲线显示，普通电解电容在较大的频率范围内其ESR值变化并不大。

电容ESR的大小跟电容的制造有关。

材质不同，ESR有区别。

材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。

同一品种的电容，耐压越高，ESR往往更低。

就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。

在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。

在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。

一个对比例子是，1μF聚丙烯电容的ESR为10mΩ，而容量达1000μF的铝电解电容，其ESR为Ω。

2.电容ESR表电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表。

这种仪表向被测电容注入测试信号，通过检测电路中的电量变化，作出相应的变换后，以数字显示屏或指针表头作为终端，将被测电容的ESR值显示出来。

因电容本身有隔直作用，所以在测量时，电容ESR表必须要使用交流形式的测试信号。

这一点与常见万用表测量电阻有显著的区别。

从另一个角度看，电容ESR表测量的是“交流”电阻，万用表测量的是直流电阻。

与万用表一样，电容ESR表可以做成数字式，也可以做成模拟式。

对于模拟式电容ESR表来说，使用指针表头作指示，因此，其电路最终需以直流电流形式来进行驱动。

对于数字式电容ESR表来说，由于现在市场上有大量廉价的数字万用表专用A/D芯片（如ICL7106）供应，利用这些专用芯片来进行设计制作是较为直观可行的方法。

A/D芯片输入的是直流电压，所以，数字式ESR表测量部分的电路有别于模拟式ESR表。

此外，数字式电容ESR表还可以用微处理器（MCU）作为核心来实现，凭借其强大功能取代数字万用表专用A/D芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。

本文中笔者设计制作的电容ESR 表属于模拟式（指针式）。

3.国外自制情况通过网上信息了解到，电容ESR表明显并不是仪器仪表大厂的正式产品——估计与LCR电桥已集成了它的功能有密切关系。

目前，国内还没有电容ESR表的生产销售。

在国外，电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中，虽然已有微型公司或个人提供一些套件和成品的销售，但未成大气候，仍是以爱好者自制为主要形式。

笔者曾用“ESR Meter Schematic”（即“ESR表电路图”）作为关键词在网上搜索，可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页，有美国、德国、意大利、俄罗斯等国家网友的作品或资料，看都看不过来。

图6 国外以套件或成品推出的电容ESR表。

仪表面板所印的表格是用于帮助判断电解电容的好坏。

最后一种（图中该表斜放置）有别于一般的指针表和数字表形式，是利用LED来指示ESR值所在区间，电路则使用MCU，可谓是数字式与模拟式的混合体。

二、电容ESR表的独到之处电容ESR表的作用，用一句话概括，就是用于测量电容ESR值，凭此判断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。

其功能虽然单一，但实用性很强，对检修电子设备带来莫大的帮助。

众所周知，电解电容是电子设备中故障率最高、寿命和可靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在很多时候决定了设备的使用寿命。

长久以来，广大电子爱好者普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具。

电容ESR表的出现，正好可以填补这一空白。

图7 国外网友自制的指针式电容ESR表。

其中，右边的表以ESR值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。

由于设计上的特殊性，电容ESR表具备了如下独到之处：1.鉴别电解电容好坏，判断准确率高从前面的介绍可以知道，ESR是直指电容性能缺陷的参数。

无论是电解电容漏液、干涸这类常见问题，还是电解液失去活性这种隐蔽问题，都可以通过电容ESR 表检测出来。

套用外国一位制作者的话说：可以找出95%以上有问题的电解电容。

他没说100%，背后一个重要原因是，电容ESR表（非特殊设计的）不能检出电容两接点之间存在的短路性故障。

幸好，电容出现这种短路性故障的概率，远低于电容自身失效的概率。

纵使电容出现短路性故障、又或者与其并联的器件出现短路性故障，电路的外在表现将十分明显，容易被普通万用表检查出来。

比如，电容两端的电压、直流电阻远低于正常值。

图8 LCR电桥照片（非按同一比例拍摄）。

后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。

2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、又不通电时对元件进行的检测。

不少人都知道，常见的二极管、三极管、电阻等分立元件可以用万用表进行在路检测，找出故障元件的成功率还颇高。

而电容却不行，因为需要交流信号驱动，万用表对此无能为力。

由于电子设备普遍都要使用电解电容，有些设备的使用量甚至超过一百只。

在路测量所带来的方便性，使得检修者能够从容应对，大大减轻了工作量，个中意义殊为重要。

3.体积小、重量轻、耗电省，携带方便，使用简单灵活电容ESR表用电池供电，可做成便携式，打开电源开关即可使用，无需繁琐的设置。

LCR电桥虽已具备了电容ESR表的功能，但是售价高，测试频率最高仅 1kHz的低档国产LCR电桥售价也要超过千元，让囊中羞涩的爱好者望而却步。

LCR电桥大多属于台式仪器，体积大、重量重，而且需外接市电才能工作，使用时拖着一条尾巴，让人觉得处处不便。

而手持式LCR电桥的测试电平一般是固定的，典型值为（即848mVpp）。

这样的电平，已达到很多半导体器件的导通阀值，导致在路测量的部分结果变得不可靠。

4.电路和构造比较简单，成本低，容易普及，便于爱好者自制这种表制作难度不高，有动手能力的爱好者，都可以独自完成。

笔者的电容ESR表，是利用原来闲置的MF500指针万用表进行制作，扣除设计修改和调试时间后，实际制作时间不足一天。

材料方面，除原有的MF500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1μF/400V MKP电容，其余的不值一提。

装在电路板上的新购元件，仅运放IC两块，花费共人民币5元。

三、电容ESR表的威力过去我们检修电器，检查电解电容多依靠简陋而带有严重缺陷的方法。

一是进行外观检查，看看电容周围有没有漏液或外壳鼓包开裂。

但是，除电解液干涸的电容外，有些漏液的电容还由于被本身及周围元件所遮挡，不拆下来作检查，往往成为漏网之鱼。

在笔者制作电容ESR表之前，曾检修一台不能正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台，通过外观检查没有发现任何电解电容有异常，一时之间也找不出故障点。

因缺少图纸，后费了很大精力跟踪电路故障，最后追踪到焊咀检测电路，怀疑为其供电的辅助电源出问题。

最后才下决心拆下这组电源中外观完好的1000μF/50V电解电容来检查，发现其底部已有漏液痕迹，测量确认已失去大部分容量，更换后即恢复正常。

二是将电容拆下来，用指针表或电容表检测其容量。

但是，“拆时容易装回难”，装回去还需预先清理焊盘过孔，这种方法甚费功夫。

因此，检修者多是在有理由怀疑的情况下才选择采用这种方法。

纵然如此，仍是有可能漏掉出问题的电容，因为某些电路位置对电容的品质要求甚高，电容没有失容，不等于没有问题。

经常维修的笔者好友就曾多次遇到这样的事情，富有经验的维修者会根据电路情况采用代换法。

三是代换法，用好的电容换掉有疑问的电容。

这种方法基本可解决前一种的遗漏问题，但这也是无可奈何的做法。

不仅拆装麻烦，而且需要提前备有同样规格的电容，很多时候检修者并无这样的准备。